曾景波

(上海申龍客車有限公司，上海 閔行 201108)

0 引言

隨著石油資源的減少以及各地環(huán)境污染問(wèn)題突顯，開(kāi)發(fā)節(jié)能環(huán)保型汽車已經(jīng)被廣泛重視，純電動(dòng)客車憑借在環(huán)保性能和節(jié)約能源方面的優(yōu)勢(shì)下，成為了各大車企主推產(chǎn)品。我國(guó)新能源客車發(fā)展至今，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，技術(shù)門檻逐年提高，各大車企為了在激烈競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)中站穩(wěn)腳立住根就必須加強(qiáng)核心技術(shù)研發(fā)實(shí)力，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的好產(chǎn)品。SLK6109純電動(dòng)公交客車是根據(jù)模塊化、平臺(tái)化和輕量化的設(shè)計(jì)理念開(kāi)發(fā)出的一款車型，該車型已批量投入市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)中，得到市場(chǎng)一致好評(píng)。

1 底盤布置參數(shù)及主要設(shè)計(jì)要求

SLK6109純電動(dòng)公交客車是一款以純電驅(qū)動(dòng)方式的城市公交客車，其車身結(jié)構(gòu)為全承載式車身，地板為兩級(jí)踏步結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)燃油動(dòng)力車型相比較，該款車型在運(yùn)營(yíng)中有更高的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性在節(jié)約能源消耗方面有很大的優(yōu)勢(shì)；動(dòng)力輸出、接收，比燃油發(fā)動(dòng)機(jī)更平穩(wěn)直接，還有噪音小，駕乘舒適等優(yōu)點(diǎn)。

(1) 底盤主要參數(shù)：軸距/前懸/后懸，6100 mm/1910 mm/1810 mm；一級(jí)踏步離地高度<380 mm；接近角、離去角>9°；國(guó)產(chǎn)車橋，新能源車專用主減；前2后4空氣懸架，前后帶穩(wěn)定桿；295/80R22.5輪胎；蘇州綠控TZ410XS-LKM2504驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電動(dòng)打氣泵、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向泵、ATS電子風(fēng)扇、寧德時(shí)代水冷動(dòng)力電池；

(2) 車架設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)車輛類型、運(yùn)行區(qū)域的路況、環(huán)境和整車布置來(lái)確定車架的整體框架結(jié)構(gòu)，同時(shí)還需滿足國(guó)家相關(guān)安全法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 車架各分段模塊結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

城市公交客車通常是在超載滿載與頻繁進(jìn)出站點(diǎn)的情況下運(yùn)行，它需要承受超負(fù)荷載荷及啟停頻繁帶來(lái)的沖擊載荷，車架整體受力情況復(fù)雜多變，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度有很高的要求。純電動(dòng)客車底盤布置較傳統(tǒng)燃油車布置更緊湊，高壓動(dòng)力電池組占去底盤大部分安裝空間，留給底盤其他系統(tǒng)的安裝空間很有限。基于純電動(dòng)公交客車以上問(wèn)題點(diǎn)考慮，SLK6109純電動(dòng)公交客車最終采用全承載式車身骨架，地板設(shè)計(jì)為二級(jí)踏步結(jié)構(gòu)。全承載式車身骨架是由鋼管組合焊接而成，各斷面與車身行成完整的封閉環(huán)，即車架與車身骨架融為一體。這類車架具有剛度大、質(zhì)量小、受力分散、底盤布置空間充足的特點(diǎn)，非常適合純電動(dòng)公交客車車架應(yīng)用。

SLK6109純電動(dòng)客車在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，就提出要求，要嚴(yán)格按照模塊化、輕量化的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

2.1 模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車架模塊化設(shè)計(jì)是指把底盤按裝配功能劃分成若干個(gè)模塊總成，各個(gè)模塊要按照車型標(biāo)準(zhǔn)化、平臺(tái)化，在同一系列車型中各模塊做到通用互換的功能，以便提高同系列車型開(kāi)發(fā)的衍生能力。模塊化設(shè)計(jì)還可以有效的縮短汽車設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造周期，同時(shí)也能給汽車制造企業(yè)帶來(lái)很多經(jīng)濟(jì)效益：縮短生產(chǎn)線、減少裝配時(shí)間及所需勞動(dòng)力；降低生產(chǎn)成本；提高產(chǎn)品質(zhì)量；減少采購(gòu)項(xiàng)目，優(yōu)化供應(yīng)商管理；節(jié)省倉(cāng)儲(chǔ)空間，優(yōu)化裝配平臺(tái)等優(yōu)點(diǎn)。

客車車架模塊化設(shè)計(jì)一般都采用分段設(shè)計(jì)，SLK6109純電動(dòng)客車車架模塊化設(shè)計(jì)如圖1所示設(shè)計(jì)成：駕駛區(qū)平臺(tái)模塊、前懸架段模塊、中區(qū)桁架模塊、后懸架段模塊、尾段模塊。

圖1 SLK6109純電動(dòng)客車底盤模塊示意圖Fig.1 SLK6109 pure electric bus chassis module diagram

1) 駕駛區(qū)平臺(tái)模塊總成

根據(jù)整車前懸長(zhǎng)度參數(shù)、接近角、駕駛區(qū)地板高度和前門開(kāi)檔大小等關(guān)鍵尺寸確定駕駛區(qū)平臺(tái)整體框架結(jié)構(gòu)。如圖2所示駕駛區(qū)平臺(tái)模塊主要布置安裝有方向機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、方向管柱轉(zhuǎn)向油壺、儲(chǔ)氣筒、拖車鉤和駕駛區(qū)地板骨架等。為了應(yīng)對(duì)同系列車型里前懸長(zhǎng)度不同，駕駛區(qū)平臺(tái)大體結(jié)構(gòu)可以不動(dòng)，只需要把駕駛區(qū)平臺(tái)長(zhǎng)短稍作調(diào)節(jié)，就可以應(yīng)用到同系列其它車型上，這樣可以極大的提高設(shè)計(jì)效率縮短設(shè)計(jì)周期，同時(shí)也能使產(chǎn)品質(zhì)量更趨穩(wěn)定。

圖2 駕駛區(qū)平臺(tái)模塊總成Fig.2 Driving area platform module assembly

2) 前、后懸架段模塊總成

如圖3、4所示前后懸架段模塊主要包括裝配車橋和懸架部件，是整車運(yùn)動(dòng)時(shí)傳遞力的關(guān)鍵部位。前、后懸架段模塊區(qū)域受力情況復(fù)雜多變，要具有足夠的抗壓、抗拉、抗扭強(qiáng)度，在設(shè)計(jì)此模塊區(qū)域時(shí)，要充分考慮車架結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度能否滿足要求。為加大此處強(qiáng)度，分散集中受力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮采用適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)(如各斷面盡量設(shè)計(jì)成三角桁架結(jié)構(gòu)、推力桿座底下增加連接腹板)。為提高前、后懸架段模塊在同系列車型上選裝不同品牌的橋和懸架的通用性，設(shè)計(jì)時(shí)我們把各品牌的橋、懸架與車架連接安裝的接口尺寸統(tǒng)籌梳理成同種安裝接口位置及尺寸參數(shù)。這樣可以極大的提高車架與各種不同品牌的橋和懸架的適配性。

圖3 前懸架段模塊總成Fig.3 Front suspension module assembly

圖4 后懸架段模塊總成Fig.4 Rear suspension module assembly

3) 中段桁架模塊總成

如圖5所示中區(qū)采用桁架式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由多組三角形框架構(gòu)成的幾何形狀不變的結(jié)構(gòu)物。桁架式車架的優(yōu)點(diǎn)是車架各桿件主要承受拉力或壓力，結(jié)構(gòu)抗拉、抗壓強(qiáng)度好可以充分發(fā)揮材料的作用，節(jié)約材料，并減輕結(jié)構(gòu)重量。中區(qū)桁架模塊布置安裝空間充足主要是用來(lái)布置安裝高壓動(dòng)力電池組、儲(chǔ)氣筒，針對(duì)北方極寒地區(qū)還會(huì)加裝暖風(fēng)加熱器及暖風(fēng)加熱器小油箱，供動(dòng)力電池艙加熱保溫以便提高動(dòng)力電池在寒冷環(huán)境下的抗衰減能力。中區(qū)桁架模塊也是設(shè)計(jì)成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊，可以匹配安裝多種動(dòng)力電池組，能適應(yīng)同種車型不同電度數(shù)的選裝，極大提高同系列車型的衍生能力。

圖5 中區(qū)桁架模塊總成Fig.5 The central truss module assembly

4) 尾段模塊總成

如圖6所示尾段模塊成用于布置安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)、低壓蓄電池、電控系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電動(dòng)打氣泵等。該模塊總成安裝布置系統(tǒng)比較多，且高低壓線束、冷卻管路、制動(dòng)管路交織在一起。所以在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮結(jié)構(gòu)上要簡(jiǎn)單牢固，拆裝檢修空間要大，合理布置管線夾固定點(diǎn)，使整個(gè)后艙管線路走向整齊規(guī)劃。

圖6 尾段模塊總成Fig.6 Late module assembly

3 CAE強(qiáng)度分析

整個(gè)車架設(shè)計(jì)完成后，利用三維建模軟件，繪出車架三維模型，然后利用CAE仿真分析軟件對(duì)其進(jìn)行有限元仿真分析。根據(jù)車架各個(gè)部位的受力特點(diǎn)，分析驗(yàn)證出各部位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選材是否合理，根據(jù)分析結(jié)果不斷做出優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行材料選型，以提高整車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的可靠性及整車的輕量化要求。根據(jù)分析驗(yàn)證本車型選擇了QSTE700TM高強(qiáng)度鋼矩形管材作為制作車架的材料，既可以滿足強(qiáng)度和剛度的要求，還能比用普通Q345B管材制作的車架輕21%左右，輕量化很明顯。

圖7 車架總成CAE強(qiáng)度分析應(yīng)力云圖Fig.7 Frame assembly strength of CAE analysis of stress nephogram

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)CAE建模仿真分析得出，影響整車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的車架結(jié)構(gòu)及斷面尺寸，與保證整車的必要通過(guò)性能之間是相互制約、相互矛盾的，在保證整車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的基礎(chǔ)上，盡可能做到通過(guò)性好，盡可能減小車架的質(zhì)量，滿足輕量化設(shè)計(jì)要求。

整車結(jié)構(gòu)是一個(gè)復(fù)雜的靜不定結(jié)構(gòu)，整車剛度要力求保持均衡，其目的是使整車結(jié)構(gòu)內(nèi)部載荷分布趨于合理。任何局部強(qiáng)度、剛度的變化都會(huì)引起結(jié)構(gòu)所承受載荷的重新分布。有時(shí)對(duì)某一部分的局部加強(qiáng)或減弱，會(huì)造成另一些部位的強(qiáng)度及剛度的變化，這一點(diǎn)必須引起足夠注意，并不是所有部位都做的越強(qiáng)越好。在理論分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，底部格柵宜在滿足車架離地最下間隙的前提下，盡量做大其結(jié)構(gòu)的斷面尺寸，適當(dāng)加大壁厚，并選用優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度鋼材作為型材材料，從而最大限度地增強(qiáng)其承載能力。

目前該車型已經(jīng)在全國(guó)多市場(chǎng)都有批量銷售運(yùn)營(yíng)，各市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)車輛技術(shù)參數(shù)穩(wěn)定可靠，產(chǎn)品品質(zhì)普遍得到客戶一致好評(píng)，為廠商在同系列車型開(kāi)發(fā)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，給后續(xù)開(kāi)發(fā)新車型提供了借鑒平臺(tái)，可以有效縮短設(shè)計(jì)周期。